曲軸磨削加工中的問題
產(chǎn)生磨削裂紋的原因是復(fù)雜的，因素很多。如材料的物理性能，化學(xué)成分；鑄造、鍛壓毛坯帶來的各種缺陷；淬火、氮化等熱處理不當(dāng)?shù)鹊龋紩绊懙侥ハ鲿r(shí)出現(xiàn)裂紋。本文所研究的問題，**于磨削過程帶來的裂紋。
為了提高曲軸的疲勞強(qiáng)度和耐磨性，對主軸頸和連桿頸進(jìn)行中頻淬火(包括圓角)或氮化等方法進(jìn)行強(qiáng)化。對于中頻淬火，特別是硬氮化的軸頸，由于磨削方法不當(dāng)，極易產(chǎn)生裂紋。裂紋對在工作中承受極大負(fù)荷的曲軸來說，是引起曲軸斷裂的致命缺陷，因此，是**不能允許的。解決磨削裂紋的難度很大。一直困擾著一些企業(yè)?，F(xiàn)在一般使用低應(yīng)力磨削法，實(shí)踐證明這是一種有效的方法，但也存在一些問題。
1 低應(yīng)力磨削
低應(yīng)力磨削是解決磨削裂紋的較好途徑，目前在國內(nèi)外使用較為廣泛。低應(yīng)力磨削采用的方法是:選用砂輪的硬度很軟，粒度偏粗，磨削速度低，進(jìn)給量小。在使用極壓磨削液的條件下，可在磨削表面內(nèi)0.025mm處，形成小于120MPa的殘留應(yīng)力，由于應(yīng)力小，且大多為壓應(yīng)力，因此不產(chǎn)生裂紋。
根據(jù)低應(yīng)力磨削原理，曾應(yīng)用于磨削硬氮化的302曲軸，效果較好。所磨主軸頸經(jīng)探傷檢測，沒有裂紋。其磨削條件及工藝參數(shù)如下:曲軸材料42CrMn，氮化深度≥0.5mm，硬度HV450，在M131外圓磨床上磨主軸頸外圓，砂輪為棕剛玉，粒度46，硬度H(軟2)，工件轉(zhuǎn)速120r/min，砂輪速度26m/s，徑向進(jìn)刀量0.003mm，磨削液為硫化油。雖然低應(yīng)力磨削是解決磨削裂紋常用的一種有效辦法，但其效率太低，不適用于大批量生產(chǎn)。而且太軟偏粗的砂輪，對保證曲軸的精度和粗糙度極為不利，要勤修砂輪，砂輪消耗大，加工成本高。在沒有砂輪自動(dòng)修整器的情況下，輔助時(shí)間長，影響生產(chǎn)效率。為此提出了探討高效無裂紋磨削工藝的課題。
2 磨削應(yīng)力及裂紋產(chǎn)生過程
曲軸的機(jī)械加工過程中，會產(chǎn)生殘留應(yīng)力，磨削加工也不例外，有關(guān)研究表明，它的殘留應(yīng)力是由塑變應(yīng)力、熱變應(yīng)力及相變應(yīng)力三部分構(gòu)成。對于表面淬火的曲軸，特別是硬氮化的曲軸，表面是一層硬殼，硬度為HV≥420(HR15N≥82)，硬則脆，脆極易產(chǎn)生裂紋。脆則塑性差，因此硬而脆的表面，產(chǎn)生塑性變形應(yīng)力的可能性很小，可以不考慮。
磨削過程由摩擦、擠壓及切削三過程組成。磨削過程中的摩擦和擠壓劇烈時(shí)，它的能量絕大部分將轉(zhuǎn)化為熱能，其中傳入工件的達(dá)到了80%，大量的熱能使磨削區(qū)域的溫度達(dá)到500℃-800℃，而磨粒的切削刃與切屑接觸點(diǎn)的溫度，瞬時(shí)值可達(dá)1000℃，傳入工件的高溫又集中于磨削部位的表層，表層溫度高，里層溫度低，表層及里層受熱膨脹的體積大小因溫度差不能同步，相互之間的牽制作用，形成了熱變應(yīng)力。對于表面硬度高的軸頸，這是磨削中殘留應(yīng)力的*主要部分。
磨削時(shí)的表層溫度若超過720℃左右的相變溫度時(shí)，表層組織要發(fā)生相變，不同的金相組織，其體積大小是不同的，體積的增大與縮小，與金相組織的類型有關(guān)，外層金相組織改變而內(nèi)層不變，相互之間的牽制作用，形成了相變應(yīng)力，若將磨削時(shí)的表層溫度控制在720℃范圍內(nèi)，不產(chǎn)生相變，也就不會形成相變應(yīng)力。
當(dāng)磨削時(shí)表層溫度超過相變溫度720℃時(shí)，在溫度劇升和相變的雙重因素作用下，表層的體積向外膨脹，沿周邊伸長，溫度向內(nèi)層傳遞較慢，里層溫度低，膨脹也慢，它阻礙外層膨脹，使外層在周邊上不能伸長，造成外層的壓應(yīng)力，這時(shí)不會產(chǎn)生裂紋。當(dāng)磨削液使工件冷卻時(shí)，表層迅速收縮，這時(shí)里層溫度變化不大，不能同步收縮，里層對表面極薄層收縮的阻礙作用，形成表層的拉應(yīng)力，使表層開裂，出現(xiàn)裂紋?？傊?，拉應(yīng)力產(chǎn)生裂紋，壓應(yīng)力有利于提高工件的疲勞強(qiáng)度。
3 不產(chǎn)生磨削裂紋的工藝途徑
從產(chǎn)生裂紋的機(jī)理中可知，產(chǎn)生裂紋的根本原因，是磨削過程產(chǎn)生了高溫。因此，磨削時(shí)工件不產(chǎn)生高溫，或?qū)⒏邷卦趥魅牍ぜ韺忧皩⑵鋷ё?，從這兩方面著手，才是解決磨削裂紋的根本途徑。高溫絕大多數(shù)來源于磨削過程中的摩擦和擠壓，減少摩擦和擠壓是降低溫度的關(guān)鍵。只有磨粒刃口鋒利時(shí)，磨削過程是切削過程占主導(dǎo)地位，摩擦、擠壓很輕微，產(chǎn)生的熱量小，表層溫度自然就低了。只要做到刃口鋒利，并能維持較長時(shí)間的鋒利。加強(qiáng)潤滑，減小摩擦、擠壓，也延長了鋒利刃口的壽命。當(dāng)刃口鈍化時(shí)，應(yīng)及時(shí)修整砂輪。基于上述認(rèn)識，決定從下列五個(gè)方面開展工作。
3.1 砂輪磨料是關(guān)鍵，選擇合適的砂輪。對磨料性能的要**硬度高，抗彎強(qiáng)度大，耐熱性能好(熱穩(wěn)定性好)刃口鋒利，且自銳能力強(qiáng)，耐磨性能高，能長期維護(hù)刃口鋒利。磨料中棕剛玉價(jià)位低，其性能較差。白玉較好，鉻剛玉、單晶剛玉和微晶剛玉則更好一些。有一些混合磨料性能也能滿足要求。*理想的磨料為立方氮化硼(CBN)各種性能均優(yōu)于剛玉類磨料，其顯微硬度是剛玉的3—5倍，抗彎強(qiáng)度為其3.5倍，耐磨性能是剛玉的100倍。因此能長時(shí)間保持刃口的鋒利，不會產(chǎn)生**和裂紋。但其價(jià)格昂貴，修整困難。通過試驗(yàn)找到了價(jià)位適中，又能滿足工藝要求的砂輪。
3.2 要使用自動(dòng)砂輪修整器。必須做到磨一個(gè)軸頸，修一次砂輪，始終保持砂輪刃口的鋒利性。
3.3 選擇潤滑性能好的磨削液，如含極壓成份的切削液，硫化切削油等。在保證工藝要求的前提下，要考慮環(huán)保要求。
3.4 具有較大壓力和流量的供液裝置。磨削時(shí)能將充分的磨削液送入磨削區(qū)，進(jìn)行高效的潤滑、冷卻和清洗，將熱量帶走，降低磨削區(qū)的溫度，并避免砂輪堵塞。
3.5 具有高效的磨削液過濾裝置。磨削液中的砂粒，鐵屑等雜質(zhì)，不僅對曲軸的精度、粗糙度有不利影響，而且它會破壞潤滑膜，成為裂紋源。因此必須將磨削液中的雜質(zhì)過濾**。
4 無裂紋的高效磨削
四年前，根據(jù)前述分析和思路，選擇了合適的磨床，完善其功能。進(jìn)行了一系列試驗(yàn)，從中優(yōu)選出較好的工藝方案，用于批量生產(chǎn)?；窘鉀Q了淬火和硬氮化處理的曲軸，在普通磨削(磨削V=30m/s)和高速磨削(V=50m/s)的條件下無裂紋。這幾年，已用于各類曲軸的大批量生產(chǎn)。其中，很多曲軸出口國外，取得了好的經(jīng)濟(jì)效果。
以磨削302硬氮化曲軸連桿頸為例，介紹其有關(guān)參數(shù)。使用的磨床是KA500×1250CNC-S(德)半自動(dòng)連桿頸磨床，該磨床具有數(shù)控砂輪修整器，磨完一個(gè)連桿頸后，能自動(dòng)修整砂輪一次。使用壓力大、流量大的水泵，三個(gè)噴嘴對砂輪清洗，潤滑冷卻磨削區(qū)。壓力1.5-1.8Mpa。主噴嘴流量10-14L/S，用于砂輪及軸頸外圓的冷卻潤滑。每個(gè)支噴嘴流量6-8L/S，用于圓角及側(cè)面。實(shí)驗(yàn)證明流量過小或過大均會產(chǎn)生裂紋。流量大小，還要根據(jù)工件材質(zhì)和熱處理狀況進(jìn)行調(diào)整。磨削液使用磁性過濾器和渦旋分離器雙重過濾系統(tǒng)凈化處理，凈化率可達(dá)到大于99%。
砂輪使用剛玉類混合磨料，60粒度，M級(中1)硬度，高速磨削V=50m/s。其主要參數(shù)與低應(yīng)力磨削的比較見表2。由于使用了高速磨削，其進(jìn)給量又比低應(yīng)力磨削大，生產(chǎn)效率高，是低應(yīng)力磨削的3～5倍。
5 結(jié)論
5.1 低應(yīng)力磨削是解決磨削裂紋的有效途徑，使用比較廣泛。但是使用砂輪的硬度低，粒度粗，對保證工件的精度和粗糙度不利，磨削效率低，不利于大批量生產(chǎn)。使用硫化切削油，氣味重，有污染，不利于工人操作。
5.2 不產(chǎn)生磨削裂紋的關(guān)鍵因素是較長時(shí)間保持砂輪微刃的鋒利。鋒利的刃口，減緩了磨削過程中的摩擦擠壓過程，從而降低了磨削區(qū)的溫度。若降至600℃以下，或更低。磨削液能將熱量迅速帶走，磨削部位表、里層溫度低，梯度小，也就不會出現(xiàn)裂紋。
5.3 保持砂輪微刃鋒利的方法是:①選用物理性能好的磨料；②勤修砂輪，采用能自動(dòng)修整砂輪的磨床，磨一個(gè)連桿頸修一次砂輪；③采取潤滑性能好的水基極壓磨削液；④使用壓力較大，流量充分的磨削液的供液裝置，并具有凈化率高的過濾系統(tǒng)。
5.4 無裂紋高效磨削的優(yōu)點(diǎn)是:效率高，更容易保證工件的加工質(zhì)量(精度和粗糙度)，可使用水基磨削液，改善了磨削環(huán)境，優(yōu)于低應(yīng)力磨削。但目前國內(nèi)有不少的磨床不具備所需的功能，若能按上述要求改裝，亦能達(dá)到同樣的目的。
5.5 無裂紋高效磨削工藝，還需要進(jìn)一步研究完善，優(yōu)選出更佳的工藝參數(shù)。
